國產高壓變頻器在煤礦主扇風機中的應用

【摘 要】本文主要介紹了國產高壓變頻器在煤礦主扇風機中的應用情況。通過對高壓電機各種調速方式比較，選用功率單元串聯多電平型高壓變頻器對主扇風機進行調速改造。應用情況表明，改造是成功的。

【關鍵詞】高壓變頻器；功率單元串聯多電平；煤礦主扇風機

0 引言

我國煤炭工業堪稱我國第一能源工業，既是產能大戶，又是耗能大戶，同時也是節能潛力大戶。煤礦用的通風機的耗電量即占生產電耗的15%～25%為此，采用變頻調速技術可大幅度地降低電耗，利用變頻技術對現有用電設備進行節能改造，是解決我國煤炭工業高消耗、低效益的根本措施。

1 工況簡介

沛城煤礦隸屬于天能集團有限責任公司。采用離心式通風機抽風。電機功率為250kw，電壓6kv。煤礦開采遵循以風定產的要求，風量隨煤的產量的增加而增加。因此為了煤礦生產安全、完成生產任務，所需風量、風壓隨著開采和掘進的不斷延伸，巷道延長，及開采量的增加而增加，風機需用功率也隨之增加。風量的調節方式為擋風板調節，無形中浪費了大量的電能。針對這種情況，決定對主扇風機進行節能改造。

2 我礦主扇風機的調節方案

沛城煤礦主扇風機為兩臺離心式通風機，一用一備。離心式通風機的一般性能曲線。

該礦原來的主扇風機采用工頻運行，在運行中一般采用調節檔板開關量調節通風量，因此通風效率較低，造成能源浪費，增加了生產成本。又由于主扇風機設計的余量特別大，在相當長的時間主扇風機一直處在較輕負載下運行，能源浪費更加突出。

當主扇風機采用直接啟動時，由于電網容量有限，起動時間長，啟動電流大，對電動機的絕緣有著較大的威脅，嚴重時甚至燒毀電動機。而高壓電動機在啟動過程中所產生的單軸轉矩現象使風機產生較大的機械振動應力，嚴重影響到電動機、風機及其它機械的使用壽命。

綜合以上幾點，為了礦井的安全生產、降低生產成本和減小對風機電機的沖擊，決定采用安邦信公司生產的AMB-HVI-400/06型高壓變頻器對主扇通風機進行改造。

3 高壓變頻器技術的優點

1）變頻器采用液晶顯示數字界面，調整觸摸式面板，可隨時顯示電壓電流、頻率、電機轉速，可非常直觀地顯示電機在任何時間的實時狀態；

2）精確的頻率分辨率和高的調速精度，完全可以滿足各種生產工藝工況的要求；

3）高壓變頻器具有國際通用的外部接口，可以同可編程控制器（PLC）和工控機等各種儀表相連，并可與原設備控制回路相連接，構成部分閉環系統，如與原DCS系統實現數據交換和連鎖控制等；

4）具有就地和異地操作功能，另可通過互聯網實現遠程監控功能；

5）保護功能齊全：變頻器有過壓、過流、欠壓和變頻器故障保護功能，具有電力電子保護和工業電氣保護功能，保證變頻器和電機在正常運行和故障時的安全可靠；

6）電機可實現軟啟動、軟制動，啟動電流小，小于電機的額定電流，電機啟動時間可連續可調，減少了對電網影響；

7）由于采用功率單元串聯，可采用技術成熟的低壓IGBT組成逆變單元，通過串聯單元的個數適應不同的輸出電壓要求；

8）完美的輸入輸出波形，使其能適應任何場合及電機使用；

9）由于多功率單元具有相同的結構及參數，便于將功率單元做成模塊化，實現冗余設計，即使在個別單元故障時也可通過單元旁路功能將該單元短路，系統仍能正?；蚪殿~運行；

10）控制系統采用光纜隔離通訊，避免了干擾系統；

11）變頻工頻之間可實現無涌動飛車切換。

4 風機的相似定律

（1）表示風機性能的特性曲線有：

H-Q曲線：當轉速恒定時， 風壓與風量間的關系特性；

P-Q曲線：當轉速恒定時， 功率與風量間的關系特性；

η-Q曲線：當轉速恒定時，風機的效率特性。

對于同類型的風機，根據風機參數的比例定律，在不同轉速時的H-Q曲線。

根據風機相似方程，當風機轉速從n變到n′，風量Q、風壓H及軸功率P的變化關系：

Q′=Q（n′/ n） （1）

H′=H（n′/ n）2 （2）

P′=P（n′/ n）3 （3）

上面的公式說明，風量與轉速成正比。風壓與轉速的二次方成正比，軸功率與轉速的三次方成正比。因此，從理論上得出轉速降10%的時候，會帶來28%的功率下降，轉速降50%的時候，會帶來87%的功率下降，由于功率的大幅度下降，可獲得顯著的節電效果，調節閥門和用變頻調速兩種調節方法的運行工況點也不同，其運行的對比所示。

（2）調節轉速與采用檔板調節流量消耗功率的差值

采用改變風機轉速和改變管網特性進行風量的調節，在調節相同風量時，其風機的特性曲線（H-Q曲線）變化不同，二種調節方法的運行工況點也不同，其運行的對比。

5 變頻運行

變頻投入運行以來一直穩定運行，輸出頻率、電壓和電流穩定，風機運行穩定，測量性能特點為：

（1）變頻器網側實測功率因數為0.976；

（2）效率均高于96%；

（3）滿載時網側電流諧波總容量小于3%，輸出電流諧波小于4%，均低于國家標準；

（4）風機以低于額定轉速運行，噪聲降低磨損減輕，減少了維護費用，經濟效益良好；

（5）軟啟動電流小，保證啟動過程對電網不會產生沖擊電流，消除了大電動機大電流啟動時的沖擊力矩對電機的損壞；

（6）使用后實踐證明，投運變頻器后，頻率通常在30-50Hz范圍內，轉速降低，軸承的機械損耗少，設備的維護工作量大大減少，維護費用降低，有利于裝置安、穩、長、滿、優運行。

6 變頻操作

變頻器顯示采用中文圖形界面，觸摸屏操作，生動直觀，變頻器的運行狀態一目了然，各種運行數據可在觸摸屏上查詢，便于操作人員及時了解變頻器的運行情況。變頻器操作簡單，風機可在3min之內起動至高速，短時間內達到所需風量。由于沛城礦屬于老礦井，主扇風機停機10min就是重大事故，簡便的操作和短的起動時間確保了生產安全，并且反風操作比以前簡單可靠，完全可滿足10min內實現反風的要求。

7 能耗分析

主扇風機：功率250KW，額定電流29.8A，實際工作電流為22A，功率因數0.82，風門開度65%（長期）工作時間按12月/年，變頻系統效率97%，變頻系統功率因數≥0.96，電機軸輸出功率為250KW時，電機的輸入功率：P1=■UIcosφ，P=1.732 ×6×22×0.82=187kW；

風機額定轉速為580r/min，實際需求轉速為492r/min，電機和風機的轉速變比為500/320，電機的額定轉速為990r/min，為達到風機的實際需求的轉速，則電機的轉速響應為839r/min，轉速下降比率839/990=0.848，則變頻功率消耗為額定功率的三次方60.9%，變頻功率為P1=250KW×（60.9%）=152KW，節省功率：187kW-152kW=35kW，節電率為（35）kW÷（187）kW×100%=（18.7）%。（注：一般的變頻改造都有20%左右的節電率）每天24小時運行，每年按照360天計算，平均電價0.54元/度，一年節?。?5）kW×24小時×360天×0.54元/度=（163296）元。

間接經濟效益分析：功率因數改善效益，起動節省電能，減少維修費用，節省勞動力等。

8 結束語

在沛城煤礦主扇風機成功應用高壓變頻器這是第一次，在中國煤炭行業，礦用通風機高壓變頻改造也不多見，其示范意義是不言而喻的。實際應用表明，高壓變頻器的應用于煤礦主扇風機的系統改造，必將取得良好的運行效果和經濟效益。我國是世界上的產煤大國，又是能源相對貧乏的國家之一，而且也是噸煤耗能較高的國家。而推廣使用變頻器在煤礦行業進行改造，節約能源的效果將是非常可觀的，適應了國家建設節約型社會的潮流。

[責任編輯：丁艷]